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變大變複雜-《能量、性、自殺:粒線體與我們的生命》

貓頭鷹出版社_96
・2013/06/24 ・1805字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

根據有氧代謝能力假說,哺乳類和鳥類,不管最大代謝率還是靜止代謝率都必須要比蜥蜴高出一大截。而眾人皆知這是事實*。蜥蜴很快就會體力透支,而且有氧代謝能力很低。即使牠們可以移動得非常快速(身體暖和的時候),但這時牠們的肌肉大部分是靠產生乳酸的無氧呼吸所驅動的(見第二單元)。牠們爆發性的速度,最多只能維持三十秒,足以讓牠們奔進最近的洞穴躲藏起來,接下來牠們通常得花上數個小時才會復原。相形之下,相同大小的哺乳類和鳥類,有氧性能至少是蜥蜴的六到十倍。雖然牠們反應不會比較快,腳步也不會比較迅捷,但牠們可以維持這個速度,時間遠比蜥蜴來得長。正如班奈特和盧本在他們發表於《科學》的獨到論文裡所說:「活動力提高一事在天擇上的優勢不容小覷,在生存和生殖方面都很重要。耐力較佳的動物在在篩選上的優勢一目了然。追捕或逃命的時間可以拉得更長,有利於蒐集食物或是避免成為別人的食物。在保衛或是侵略領土時更有優勢。求愛或是交配時更容易成功。」

一隻動物要做些什麼才能提升耐力和速度?首要之務是,牠必須提高骨骼肌的有氧能力。要做到這一點,需要有更多的粒線體、更多的微血管和更多的肌纖維。我們立刻就遇到了空間分配的問題。如果整個組織都被肌纖維占滿了,就沒有多餘的空間留給催動肌肉收縮的粒線體,或是輸送氧氣的微血管了。組織的空間一定得好好分配才行。將這些元件塞得緊一點,某種程度也可以提高有氧能力,但超過這個範圍之後,只有提高效率才能使它繼續提升。實際的情況也確實是如此。澳洲新南威爾斯,臥龍崗大學的赫伯特和艾瑟研究指出,哺乳類的骨骼肌含有的粒線體數目,比同量級的蜥蜴肌肉多上一倍,而且牠們的粒線體上有更多的膜和呼吸複合體。老鼠骨骼肌的呼吸酶活性也大約是蜥蜴的兩倍。合計起來,老鼠肌肉的有氧性能幾乎是蜥蜴的八倍──這樣的差距完全足以說明牠為什麼會有比較高的最大代謝率和有氧代謝能力。

以上是關於有氧代謝能力假說的第一部分:針對耐力所進行的篩選,提升了肌肉細胞的粒線體動力,使得最大代謝力也變快了;那假說的第二部分又是如何?為什麼最大代謝率和靜止代謝率之間會有關聯?原因至今仍然不清楚,目前沒有任何可能的解釋曾獲得證實。即便如此,也有個很直觀的理由讓我們預期它們是有關聯的。我曾提過蜥蜴就算才劇烈活動了數分鐘,可能就要花上數小時才會從脫力的狀態恢復過來。如此緩慢的復原速度與其要怪到肌肉頭上,不如歸因於臟器,例如肝臟和腎臟,它們負責處理激烈運動所產生的代謝廢物和其他分解產物。這些臟器運作的速率取決於它們自己的代謝能力,也因此取決於它們的粒線體動力──粒線體愈多,恢復得愈快。想必,耐力上的優勢也會反映在復原時間的長度上:既然哺乳類肌肉的有氧能力提高為八倍,要是臟器的功能沒有補償性的改變,運動後的復原期就不僅僅是數小時,而是得花上一整天。

臟器不像肌肉,不會遇到空間分配的難題──肌肉中的粒線體密度不會隨體型而改變,但臟器會。當動物體型變大,上一章討論過的冪次定律告訴我們,牠們器官中的粒線體會分布得較為疏鬆。這是個現成的大好機會。大型動物的臟器要取得能量,不需要像肌肉那樣重新調整組織結構,只要增加粒線體的數目就好了。這個機會似乎推動了恆溫動物的誕生。赫伯特及艾瑟透過傳統的比較研究,證明哺乳類的器官內所含的粒線體是同量級蜥蜴的五倍,粒線體的其他層面則完全相同,例如呼吸酶的的效率,就是完全一樣的。換言之,相對於肌力增強的得來不易,平衡這新得來的力量簡單多了,只要在空間充足的臟器中裝入更多的粒線體就好了,這也能確保耗氧活動後的快速恢復。總之,這裡重點是,肝臟這類器官的功能和肌肉的需求有關,而不是為了保持溫暖才存在的。

* 換算的公式是代謝率= aMb,a是因物種而異的常數,M是體重,而b則是換算指數。哺乳類動物的常數a比爬蟲類大了五倍,不過兩類動物的代謝率仍是隨體型改變(兩條曲線是平行的)。碎形模型無法解釋為什麼不同的物種會有不同的常數a,也就是哺乳類和爬蟲類各種器官的微血管密度與靜止代謝率為什麼會不一樣;它也無法解釋恆溫動物的崛起。這個問題的解答,依舊在於組織需要更多的氧氣來驅動更高的有氧性能。這樣的驅動力造成肌肉及器官組成結構的變化,進而導致內部的碎形輸送網改變。

(全文未完)

摘自PanSci 2013 六月選書《能量、性、自殺:粒線體與我們的生命》,貓頭鷹出版。

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貓頭鷹出版社_96
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貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。


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發炎性腸道疾病的獵奇療法:來一杯「鉤蟲卵」吧!——《我們為什麼還沒有死掉?》

麥田出版_96
・2021/10/24 ・2290字 ・閱讀時間約 4 分鐘

• 作者/伊丹.班—巴拉克
• 譯者/傅賀

上一節,我提到了犬蛔蟲,我好不容易才忍住沒有提另外一種寄生蟲:蠕蟲。這類寄生蟲成員眾多,個個都是入侵或躲避免疫系統的行家,牠們有許多花招可以幫助牠們在人體內存活下來、繁榮昌盛。牠們之所以需要這些花招,是因為作為寄生蟲,牠們的個頭太大了,免疫系統不可能看不到牠們。即使是較小的蠕蟲物種,也有幾公釐長,跟病毒或細菌比起來,可謂龐然大物。

蠕蟲感染者的腸道 X 光照片,圖中黑線都是蠕蟲。圖/WIKIPEDIA by Secretariat

在世界上許多較貧窮的地區,由於衛生條件較差,蠕蟲帶來了無盡的痛苦:據統計,世界上約四分之一的人口感染了某種類型的蠕蟲。衛生機構正在嘗試使用預防、清潔的手段和抗蟲藥物來緩解疫情。與此同時,在已開發國家,人們已經成功消滅了蠕蟲疾病。

也許有點過於成功。

免疫反應有幾種不同的形式。我們理解得最透徹的兩種是 Th1 和 Th2(Th 代表輔助 T 細胞,這是一種重要的 T 細胞)。它們的細節比較複雜,但大體畫面是這樣的:這兩種反應處理的是不同類型的感染——Th1 類型的輔助 T 細胞會向吞噬細胞和胞毒 T 細胞發出啟動訊號。聽到「集結號」之後,這些細胞會追蹤並摧毀任何被病毒或特定細菌感染的人類細胞。與此相反,Th2 反應是直接攻擊那些尚未入侵人體的病原體,Th2 細胞會啟動一種叫作嗜酸性球(eosinophils)的免疫細胞,來殺死蠕蟲。只要一種 Th 反應上調,另外一種就會下調。這種機制是合理的,因為這樣可以節約身體的資源,並降低免疫反應的副作用。

TH2 細胞(左)正在被 B 細胞(右)活化。圖/WIKIPEDIA

蠕蟲激發的正是 Th2 反應。有人因此認為,此消彼長,在那些蠕蟲病發病率較高的國家,過敏反應( Th1)的概率恰恰因此更低。(在過去幾十年裡,已開發國家裡出現過敏反應的人越來越多)。流行病調查顯示:蠕蟲越是肆虐,過敏反應就越少。

蠕蟲採取的各種躲避和反擊策略,以及牠們的存在本身,都會對免疫系統產生影響。一個效果就是牠們會抑制發炎反應——要知道,世界上有許多人巴不得他們的發炎反應受到一點抑制呢。

因此,許多患有慢性自體免疫疾病(比如,發炎性腸道疾病)的人現在正在接受蠕蟲療法(用的是鉤蟲),針對其他發炎疾病的臨床治療也正在測試。

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鉤蟲, 被用在慢性自體免疫疾病的蠕蟲療法 。圖/WIKIPEDIA

這聽起來有點怪誕:有人竟希望——不,堅持要——被寄生蟲感染。他們向醫生求助,醫生給他們的藥是一小杯鉤蟲卵,然後他們就喝下去了。在他們的胃裡,這些卵會孵化,幼蟲會爬出來。然後,不知怎的,患者就感覺好多了。當然,鉤蟲不會存活很久(醫生選擇的物種並不會在人體腸道內存活很久,否則就會有新的麻煩了),因此,過一段時間,患者又要接受新一輪的感染,以維持免疫系統的平衡。

當然,如果我們可以不用蟲子(比如使用其中的有效成分,類似某種「鉤蟲萃取物」的藥物)就可以治療疾病,那就更好了。但是,目前還沒人知道到底哪些成分重要——而且似乎要見效,必須要用活的蠕蟲。

為了解釋關於蠕蟲的這個情況,研究人員提出了「老朋友假說」(old-friends hypothesis),這是「衛生假說」的一個改良版。你也許聽說過「衛生假說」,它已經流傳了很長一段時間,但直到一九八九年才由大衛.斯特拉昌(David Strachan)正式提出。他進行的流行病學調查顯示,那些在農場裡或田野邊上長大的孩子要比那些在城市裡長大的同齡人更少患上過敏。從此之後,「衛生假說」就被用於描述許多不同的觀念,其中一些得到了研究支持,而另一些則沒有。

總的來說,老朋友假說的大意是,人類的免疫系統是在一個充滿微生物的世界裡發育的,我們經常要跟許許多多的微生物打交道。我們已經看到了免疫系統跟腸道微生物的密切聯繫,但是這樣的親密關係也可能會擴展到病原體。免疫系統已經對一定程度的接觸和較量習以為常了。現代西方社會,是人類有史以來最愛清潔、刷洗、消毒的階段,我們受感染的機會大大減少——但這破壞了免疫系統的平衡。我們的免疫系統習慣了跟某些病原體對抗,一旦沒有了對手,它就會工作失常。因此,嬰兒和小朋友也許最好要接觸一點髒東西。

現代社會,是人類有史以來最愛清潔及消毒的階段,我們受感染的機會大大減少,但這破壞了免疫系統的平衡。圖/Pixabay

顯然,你不希望你的孩子臉上有霍亂弧菌,雖然研究人員在二○○○年發現結核病對預防氣喘有幫助,但這並不意味著你要讓孩子染上結核。但是「髒東西」裡含有許多常見病原菌的減毒突變株(不再那麼有害),這可能對孩子的身體有益。沒有它們,孩子日後也許更容易患上免疫疾病——比如過敏和自體免疫病。

問題是,要多乾淨才算乾淨,要多髒才算髒呢?抱歉,我真的不知道答案。

——本文摘自《我們為什麼還沒有死掉?》,2020 年 9 月,麥田

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麥田出版_96
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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。
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